第十七章原子核.doc

★江安中学14届高三物理组★ ★教学活动单★
第十九章 原子核
活动一：原子核的组成
1．天然放射现象
(1)1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀矿物都能发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。
(2)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)、镭(Ra)。
放射性元素自发地发出射线的现象。原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
2．三种射线的本质及特征
（1）α射线：它是高速氦核流，速度约为光速的，穿透能力较差（用纸能挡住），电离作用比较强。
（2）β射线：它是高速电子流，速度可达光速的99%，穿透能力较强（穿透几毫米的铝板），电离作用较弱。
（3）γ射线：它是能量很高的电磁波，穿透能力很强（穿透几厘米的铅板及几十厘米厚的混凝土），电离作用很弱。
3．原子核的组成
（1）质子和中子的发现

（2）原子核的组成
原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。
（3）原子核的符号
核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数。质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数。
（4）同位素：例如，氢有三种同位素11H、12H、13H。
活动二：原子核的衰变 半衰期
1．原子核的衰变
（1）衰变的类型
一种是α衰变，另一种是β衰变，而γ射线是伴随α衰变或β衰变产生的。
（2）衰变方程
α衰变： 92238U→ 90234Th＋24He β衰变： 90234Th→ 91234Pa＋－1__0e
（3）衰变规律：电荷数守恒、质量数守恒。
（4）α衰变和β衰变的实质
①α衰变：201n＋211H→24He
②β衰变：01n→11H＋－1　0e
③放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来。
2．半衰期
（2）定义：大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
（2）决定因素
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。不同的放射性元素，半衰期不同。
（3）适用条件
半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核。
活动三：放射性同位素 放射性的应用与防护
1．核反应
（1）定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。
（2）原子核的人工转变
人类第一次实现的原子核的人工转变： 714N＋24He―→_817O＋11H
查德威克发现中子的核反应：49Be＋24He→ 612C＋01n
（3）遵循原则：质量数守恒，电荷数守恒。
2．人工放射性同位素
（1）人工放射性同位素的发现
①1934年约里奥­居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷1530P。
②发现磷同位素的方程：24He＋1327Al→1530P＋01n ； 1530P→1430Si＋10e
（2）人工放射性同位素相比天然放射性同位素的优势：
①放射强度容易控制。②可制成各种所需的形状。③半衰期短，废料易处理。
3．人工放射性同位素的应用
(1)应用它的射线。
①利用γ射线的贯穿本领：
②在医疗上，常用以控制病变组织的扩大。
③利用γ射线培育优良品种、延长保质期
④利用射线的电离作用：
(2)作示踪原子。
①在农业生产中，探测农作物在不同的季节对元素的需求。
②在工业上，检查输油管道上的漏油位置。
③在生物医疗上，可以检查人体对某元素的吸收情况，也可以帮助确定肿瘤的部位和范围。
4．辐射与安全
人类从来就生活在有放射性的环境之中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
5．人工转变核反应与衰变的比较
原子核的人工转变，是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理化学条件的影响。
活动四：核力与结合能 质量亏损
1．核力
(1)定义：原子核内相邻核子之间的相互作用力。
(2)特点：
①核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。
②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内。在大于0.8×10－15 m小于1.5×10－15 m的范围内表现为吸引力，在小于0.8×10－15 m时表现为斥力。
③核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。
2．四种基本相互作用

2．原子核中质子与中子的比例
（1）较轻原子核：质子数和中子数大致相等。
（2）较重原子核：中子数大于质子数，越重的原子核两者相差越多。
3．结合能
（1）结合能
原子核是核子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能。
（2）比结合能
原子核的结合能与核子数之比称做比结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大、最稳定。
原子核的比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数（核子数）变化图线如图所示。
4．质量亏损
(1)爱因斯坦质能方程E＝mc2。
(2) 根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。
(3)质量亏损：
原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
(4) 利用原子质量单位u和电子伏特计算：1 u相当于931 MeV
活动五：裂变反应 聚变反应 链式反应
1．裂变反应
（1）定义：重核分裂为质量较小的核，释放出核能的反应。
（2）铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 92235U＋01n―→ 56144Ba＋3689Kr＋301n。
（3）链式反应
当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他轴核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。
（4）链式反应的条件
发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。
2．核电站
（1）定义
核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
①燃料：铀棒。
②慢化剂：使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收，采用石墨、重水或普通水（轻水）作慢化剂；
③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
（2）工作原理：核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高。
（3）能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
（4）核污染的处理
为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
3．核聚变
（1）定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。
（2）核反应举例：12H＋13H―→24He＋01n＋17.6 MeV
（3）实例分析：
①核武器：氢弹，由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
②宇宙天体：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4．受控热核反应
（1）聚变与裂变相比有很多优点：
①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁。
（2）约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束。
选修3-5◎第4页共4页◎2013-12-24